FITo：RA-3反应堆的成像与断层扫描装置

《Radiation Physics and Chemistry》：FITo: Facility for Imaging and Tomography at the RA-3 reactor

　　摘要
位于阿根廷布宜诺斯艾利斯省的RA-3反应堆内设有FITo中子成像装置，该装置用于教育、培训及应用研究。本文介绍了该装置的当前配置，以及在使用基于6LiF/ZnS:Cu闪烁体与冷却型CMOS相机的数字检测系统重新启用后的首次定量表征结果。通过与以往的镝活化及放射变色胶片方法的对比，发现数字系统在大幅缩短曝光时间的同时，仍能保持适合射线照相应用的空间分辨率。研究还对束流的空间分辨率、均匀性、几何准直度、中子通量及镉比率进行了表征。实验测得的准直度低于根据提取锥入口尺寸通过简单几何计算得出的数值，这一差异被解释为次热中子和快中子通过部分穿透提取锥屏蔽而扩大了有效入口尺寸的证据。文中还通过对比混凝土样品中嵌入的尼龙纤维的中子射线照相结果，展示了该装置的实际应用价值。这些结果表明FITo是一个实用的培训与应用研究平台，也为未来向断层成像技术发展以及改进样品定位方法提供了基础。

引言
成像或中子射线照相是了解中子与物质相互作用的最直接实验技术之一，它能够以空间分辨率直接测量特定样品的衰减情况。近十年来，该技术在材料科学（Serrano-Mu?oz等人，2023）、地球物理学（Tengattini等人，2021）、电化学（Ziesche等人，2020）、古生物学（Gaetano等人，2022）以及遗产保护科学（Fedrigo等人，2018）等诸多科学领域得到了广泛应用。用于成像实验的反应堆从最先进的高通量设施（Tengattini等人，2020）到规模较小、以培训为主的科研反应堆（Matouskova等人，2023）不等。尽管中子成像是中子束最早被发现的应用之一，但其广泛普及还是随着数字射线照相技术的出现而加速的。

阿根廷拥有拉丁美洲为数不多的中子成像设施之一，位于RA-61反应堆处。与此同时，另一座名为ASTOR2的新设施也在建设中（Vega等人，2023）。ASTOR2有望达到发达国家所拥有的大型先进设施的水平。在此之前，建立一座可投入运行的设施对于培养专业人才、开展本科教育以及在该地区形成中子成像用户群体而言至关重要。

位于阿根廷布宜诺斯艾利斯省埃塞萨的RA-33反应堆是一座10兆瓦的开放式池式反应堆，主要用于放射性同位素生产。该反应堆建于1967年，几年后便增设了中子成像束线，但该仪器长期处于闲置状态。最近，人们通过镝片活化及放射变色胶片技术重新激活了该系统，用于教育目的的中子射线照相实验。更为近期的是，研究人员引入了一套完全数字化的检测系统——由闪烁体与数字相机组成——从而实现了定量测量并加快了图像获取速度。

在本研究中，我们介绍了目前运行在RA-3反应堆上的中子成像装置——FITo（成像与断层成像装置）。我们描述了该装置的探测器及数据采集方法，并报告了空间分辨率、束流均匀性、L/D比率、中子通量及镉比率等参数的测量结果（见图1）。

章节节选
中子射线照相装置的设计
RA-3反应堆由CNEA4于1967年设计并建造。经过多次功率提升和结构改造后，该反应堆目前的常规运行功率为10兆瓦。成像束线由一个锥形、表面覆盖镉元素且内部充满空气的管子构成，该管子置于反应堆核心与提取管之间。该装置可取代束流路径中的水减速剂，从而使中子能够穿透屏蔽层并被传输到检测室。

探测器设计与特性
探测器的外壳及光学结构是根据Matouskova等人（2023）提供的设计图纸制造的。该系统包括厚度为300微米的6LiF/ZnS:Cu闪烁体、第一面反射镜、一台冷却型的单色QHY178 CMOS天文相机，以及一枚24毫米焦距、f/1.8光圈的摄影镜头。在FITo较低的中子通量条件下，这种300微米厚的锂基闪烁体能够在光输出与空间分辨率之间实现良好平衡，同时其伽马辐射水平也相对较低。

束流特性分析
通过标准化图像对开放束流的均匀性进行了评估。在中心区域，偏差低于5%，而在靠近边缘的位置，偏差则上升了约20%。这种边缘增强现象被视为探测器本身的固有特性，而非中子通量的变化所致，其可能源于闪烁体厚度或效率的局部差异，或是闪烁体周边及探测器外壳内的光学反射作用（见图3）。

L/D比率
为评估该装置的功能，研究人员进行了多项实验。作为典型应用案例，研究人员利用中子射线照相技术观察了嵌入波特兰水泥样品中的尼龙纤维。共制备了三个样品盘，其中尼龙纤维的直径为0.7毫米，质量占比分别为0.5%、1%和2%。由于尼龙主要由原子序数较低的元素组成，尤其是碳和氢，因此很难用传统X射线技术将其与水泥区分开来。

结论
本文介绍了RA-3反应堆上的成像与断层成像装置FITo，并对其进行了详细表征。基于6LiF/ZnS:Cu闪烁体与冷却型CMOS相机的数字探测器，相比传统的镝活化及放射变色胶片方法，具有更短的曝光时间，同时仍能保持满足射线照相应用要求的空间分辨率。通过对空间分辨率、束流均匀性、L/D比率、中子通量及镉比率的测量，为该装置提供了基本的性能描述。

CRediT作者贡献说明
N. Vega：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，验证，监督，研究，正式分析，数据整理，概念构思。
A. Lucero：监督，研究，概念构思。
J. Pinto：方法论，研究，正式分析，数据整理。
F. Suarez：方法论，研究。
E. Pozzi：监督，资源协调，项目管理，研究。
P. Bellino：正式分析，数据整理。
L. Rogulich：研究，概念构思。
P. Zabala Medina、A. Bellino：阿根廷布宜诺斯艾利斯省国家技术大学布宜诺斯艾利斯地区学院，Medrano 951（C1179AAQ），布宜诺斯艾利斯。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢
我们要感谢RA-3反应堆的运营人员及全体技术人员，以及最初启动这项工作的Annameng Ma，同时也要感谢CNEA提供的资金支持。

N. Vega | A. Lucero | J. Pinto | F. Suarez | E. Pozzi | P. Bellino | L. Rogulich | P. Zabala Medina | A. Bellino
阿根廷布宜诺斯艾利斯省国家技术大学布宜诺斯艾利斯地区学院，Medrano 951（C1179AAQ），布宜诺斯艾利斯